新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于“最少量连接”的车架设计方法的探究

0
回复
102
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2021-1-21 16:53:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
汽车轻量化在线】基于“最少量连接”的车架设计方法的探究
来源:期刊-《汽车科技》;作者:宁磊,梁乾
(汉中职业技术学院)
摘 要:车架结构需要多处焊接,降低了车架的承载能力与使用性能,影响车辆行驶的动力性能、平稳性以及安全性。文中提出“最少量连接”车架设计方法,设计阶段基于逆向设计思想在保证强度和刚度的的同时实现轻量化设计,在不影响整体车架性能又切合制造工艺的情况下实现最少量连接,避免过多连接带来的误差累积,从而改善车架的综合性能。
关键词:车架设计;强度和刚度;轻量化设计;最少量连接

1 车架概述
车架是将车身、发动机和底盘等组成有机整体的基础,承受各种静、动载荷及行驶中的扭曲、冲击、惯性力等载荷作用。汽车行驶的平稳性和安全性都与车架好坏直接相关。
满足强度和扭转刚度的前提下实现轻量化是车架设计的基本目标。足够的弯曲强度避免了车架上各总成因为车架的变形而损坏甚至失去工作能力;足够的疲劳强度避免了车架在各种受力的情况下出现严重的疲劳损伤。刚度不足引起车架变形,会导致转向时间差,降低轮胎抓地力和循迹性能。合适的扭转刚度可保证汽车行使的平顺性和通过能力,从而实现汽车对路面不平度的适应性。轻量化设计提高了燃油经济性,降低了碰撞时需要被吸收转移的能量,制动效果好。

2 现有车架成型方法
大梁式车架通过激光焊接将主纵梁和许多尺寸不同的副横梁连接起来形成了非承载式车身,个别区域还会加上斜梁作巩固[1]285。
一体式车架由压制的板金件和折叠槽钢梁焊接成整体刚性的车身,车身充当车架来承受所有的载荷 [2]1。局部增粗补焊是加强一体式车架抗扭刚度的主要方法。
钢管式车架是采用钢管焊接成一个框架,再将零部件装在这个框架上,局部加焊钢管就能实现强度加强。

3 现有车架结构存在的缺陷
归纳车架成型方法得出:所有车架都需要进行大量的焊接。残余应力和变形导致焊件在形状与尺寸改变,降低焊后机加精度,甚至产生裂纹,影响行驶平稳性和安全性。不均匀的焊接接头强度受损,直接影响车架的承重性能和使用性能。

4 车架设计方法的探究
针对现有车架大量连接之问题,提出“最少量连接”的设计理念---在不影响整体车架性能的前提下,根据制造工艺和装配要求实现最少量连接,减少大量连接带来强度和刚度不足及误差累积,从而改善车架的综合性能[3]。
“最小量连接”车架设计采取逆向设计思想。利用 ANSYS对方形车架材料在制动,不对称和转弯工况下进行受力分析,切除应力较小的区域,保留应力较大的区域,再次验证受力分析,继续切小留大,依照此方法迭代切除,多次验证,实现满足强度刚度的轻量化设计。最后根据制造与装配条件在应力较小区域进行最少量切割,从而实现“最少量连接”。
车辆在各种工况下,主要的受力区域在底部簧上结构,故不论是承载式车身或是大梁式车架,都需要着重分析底部受力区域。因此,承载式车身可以参考大梁式车架的分析方法进行设计。而大梁式车架主要用于商用车和越野车,两者由于用途差异导致自身重量、车桥数量、承载能力和动力性能等不同,但是受力及工况类似,设计方法可以互相借鉴。故本文就以大梁式车架中的商用车车架为例进行设计方法的说明,具体流程如下。

4.1 模型的建立与多工况下力学分析方形尺寸为,前桥之间,前中桥轴距,中后桥之间,后桥之后。车架在静止时产生弯曲变形,制动时受到瞬间较大的冲击载荷发生冲击变形,车轮不在同一个平面时车架受力不对称产生较大变形,车辆转弯时由于离心力作用产生侧倾变形。静态弯曲变形同时出现在后边三种工况下,后边三种工况受力较大且比较危险,故本文以制动工况、不对称工况和转弯工况进行典型分析。方形车架建模数据、材料属性及施加载荷及约束方式如表1所示[4]。

表1 建模数据、材料属性及施加载荷及约束方式


图1 各工况下应力云图(左)与位移云图(右)

三种工况下应力云图与位移云图如图1所示c,由图1分析知:
(1)工况a中,车架后桥处出现最大应力27.8Mpa;工况b中,车架中桥处悬空轮对侧出现最大应力40.8Mpa;工况c中,车架后桥处出现最大应力27.9Mpa。车桥及其附近出现应力较大区域,剩余区域应力较小。各工况下最大变形位移均出现在沿纵梁方向处于中后桥的正中间位置,工况a,b,c中,最大变形位移分别为0.742mm,0.916mm,0.742mm,且前桥之前、前中桥之间、后桥之后也出现相对较大的变形位移。
(2)各工况下前桥之前区域距离前桥500mm附近出现大应力区域;各工况下前中桥之间区域距离前桥1400mm 附近出现大应力区域;中后桥之间区域在制动工况下,中后桥之间距离中桥1000mm 附近出现大应力区域,不对称工况与转弯工况下距离中桥1500mm 附近出现大应力区域,且大应力区域较大;各工况下后桥后段距离后桥400mm 附近出现大应力区域。

4.2 初次切除应力较小区域形成大梁式车架根据4.1中受力及变形分析结果,提出如下切除较小应力区域形成如图2所示的车架,
从左往右三角形位置依次为前桥、中桥、后桥。各车桥处切割出一根宽100mm 轴梁,前桥之前和前中桥间分别切割出一根宽100mm 横梁,中后桥间以及后桥之后分别切割出两根宽100mm 横梁,具体分布尺寸如图2所示:

图2 初次成型车架图(单位:mm)

4.3 验证车架强度和刚度按照第一步施加载荷及约束方式验证一次切割后车架在三种工况时的受力变形结果如图3所示。
由图3分析知:
(1)工况a前轴之前出现最大应力151Mpa 。工况b悬空轮对侧出现最大应力135Mpa 。工况c后桥之后区域出现最大应力 94.6Mpa,也就是说前轴之前区域出现最大应力,可考虑在此处增加横梁加强强度。
(2)各工况下,前桥和后桥处的应力区域最小,可考虑减小两桥处横梁尺寸进行优化。
(3)各工况最大位移不足6mm,即三种工况下的最大位移均很很小,车架刚度足够。

图3 各工况应力云图(左)与位移云图(右)

4.4 再次切除应力较小区域形成大梁式轻量化设计根据4.3分析,应力最小区域出现在前后桥处,故将前后桥处横梁宽度减为 5mm。前桥之前区域应力相对较大,故加一根 10mm 宽度的横梁,如图4所示:

图4 再次成型车架图

4.5 验证车架强度和刚度按照4.3中的施加载荷及约束方式验证二次切割后车架在三种工况下的受力变形情况,如图5所示。最大应力为142MPa,不到材料最大屈服强度的一半,最大位移不到6.3mm,车架的强度刚度足够,说明上一步的加强和优化尺寸合理。当然,可以根据图5继续全面分析车架的应力和形变位移的分布情况,对车架再次进行切割或增补,方法同4.3与4.4,此处不再赘述。

图5 二次切割车架各工况应力云图(左)与位移云图(右)

4.6 多次切割与验证迭代的轻量化设计由于经过两次切割后的车架的轻度和刚度都很足够,故可以再次切除应力较小区域达到轻量化设计,再次验证保证足够的刚度强度,循环切割与验证,直到满足刚度强度的质量最小化。

4.7 最少量分割与连接分析多次验证的应力与形变情况,应力较小区域始终出现在前后桥处。再者,车桥处有悬架和加强件,故此处切割几乎对车架强度无影响。如图6所示,四处分割产生四次连接。采用之前横纵梁直接焊接方法需要二十处连接,而且部分焊接区域应力较大,严重影响车架性能[5]。

图6 最少量连接示意图

5 总结
针对通过焊接成型的车架的缺点,提出了基于“最少量连接”方法的车架设计方法,实现了在不影响整体车架性能又切合制造工艺的情况下的最少量连接,避免过多连接带来强度和刚度不足及误差累积,以提高车辆的整体性能。



您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线